MIT工程师设计的人工礁能保护海洋生物，减少风暴破坏

麻省理工学院工程师设计的人工礁石或能保护海洋生物，减少风灾损害

随着气候变化的影响使得世界各地的珊瑚礁受到漂白和破坏，极端天气现象日益普遍，沿海社区面临更加频繁的洪水和侵蚀。为了弥补这一问题，麻省理工学院的一个团队正在希望通过“建筑”式的人工礁石来加固海岸线，这些可持续的离岸结构被设计成模仿自然礁石的减缓波动效果，并为鱼类和其他海洋生物提供栖息地。

该团队的礁石设计以一个圆柱结构为中心，周围有四个舵板状结构。工程师们发现，当这种结构抵挡波浪时，它能有效地将波浪打散成湍流射流，最终消散大部分波浪的总能量。研究人员计算出这种新设计可以用十分之一的材料减少与现有人工礁石相同的波能。

该团队计划使用可持续水泥制造每个圆柱结构，他们会将水泥塑造成一种“像素”模式，从而能够自动组装，并提供给鱼类探索和其他海洋生物栖息的空间。这些圆柱体可以连接起来形成一堵长而半透明的墙，工程师可以在离岸约半英里处沿海岸线竖立。根据团队对实验室规模原型的初步实验，建筑式礁石可以将入射波浪的能量减少超过95%。

今天，《PNAS Nexus》期刊上报告了建筑式礁石设计的详细内容。麻省理工学院的合著者包括机械工程系的Henry L. 和 Grace Doherty教授Michael Triantafyllou，以及Edvard Ronglan SM '23；研究生Alfonso Parra Rubio、Jose del Auila Ferrandis和Erik Strand；研究科学家Patricia Maria Stathatou和Carolina Bastidas；以及位于巴黎理工学院的Alexis Oliveira Da Silva，西湖大学的Dixia Fan和Scinetics公司的Jeffrey Gair Jr.

一些地区已经建立了人工礁石来保护其海岸线免受侵袭的风暴。这些结构通常是沉船、废弃的石油和天然气平台，甚至是由混凝土、金属、轮胎和石头组成的配置。然而，目前所部署的人工礁石类型各异，没有关于工程这类结构的标准。此外，目前采用的设计往往具有较低的单位体积材料波能耗散。也就是说，需要大量材料才能够足够保护沿海社区。

麻省理工学院的团队转而寻找办法工程化一种人工礁石，可以用更少的材料高效地消耗波能，同时也为沿海的脆弱海域提供鱼类的栖息地。

"记住，天然珊瑚礁只存在于热带水域," 乔治·特里安塔菲略说道，他是麻省理工学院海洋拨款部门的主管。“例如，我们无法在马萨诸塞州找到这样的礁石。但是，建筑式礁石不依赖于温度，因此可以放置在任何水域，以保护更多的海岸地区。”

这项新工作是麻省理工学院海洋拨款部门研究人员与Bits和Atoms中心的研究人员之间的合作成果。建筑式礁石的设计源于两个看似无关的问题。Bits和Atoms中心的研究人员正在为航空航天业开发超轻型的多孔结构，而海洋拨款部门的研究人员正在评估海上石油结构的防喷帽性能，即用于密封油井并防止泄漏的圆柱形阀门。

研究人员的测试表明，结构的圆柱排列产生了大量的阻力。换句话说，这种结构在消散油气的高压流时表现出特别高的效率。他们想知道：同样的排列是否能消散另一种流体，比如海浪？

研究人员开始在水流模拟中对这个普遍结构进行调整其尺寸并添加某些元素，以查看波浪在撞击每个模拟设计时是否以及如何改变。这种迭代过程最终确定了最优化的几何结构：一个垂直圆柱体，两侧各有四个长条状的板，每个板都连接在圆柱体上，留下空间让水流穿过所形成的结构。他们发现这种设置基本上会打散任何入射的波能，使部分波浪诱发的流向两侧旋转，而不是向前撞击。

“我们利用这个湍流和这些强大的射流来最终消散波能,” 费兰迪斯说。

一旦研究人员确定了最佳的波能消散结构，他们就制造了一个实验室规模版本的由圆柱结构组成的建筑式礁石，他们用塑料3D打印了。每个测试圆柱约1英尺宽，4英尺高。他们将若干个圆柱体组装在一起，相距约1英尺，形成一个类似篱笆的结构，然后将其放入麻省理工学院的波浪水池。他们产生了不同高度的波浪，并在通过建筑式礁石之前和之后进行测量。

“我们看到波浪显著减少，因为礁石破坏了它们的能量,” 特里安塔菲略说。

团队还研究了如何使结构更加多孔，并对鱼友好。他们发现，与其用一个固体塑料板制造每个结构，他们可以使用一种更经济、更可持续的水泥。

"我们已经和生物学家一起测试了我们打算使用的水泥，它对鱼类无害，可以立即使用,"他补充道。

他们确定了一种理想的“像素”或微结构模式，可以将水泥塑造成，以制造礁石并在其中形成鱼类的栖息地。这种“像素”几何形状类似于单个鸡蛋箱，端对端堆叠在一起，并似乎不影响结构整体的波能耗散能力。

“这些‘像素’仍然保持着很大的阻力，同时允许鱼类在内部活动,” 费兰迪斯说。

团队目前正在制造水泥“像素”结构，并将其组装成实验室规模的建筑式礁石，然后在不同的波浪条件下进行测试。他们设想，“像素”设计可以是模块化的，可以按需扩展大小，并且易于运输和在各种离岸位置安装。“现在我们正在模拟实际的海浪模式，并测试这些模型在最终必须部署时的表现,” 最近加入该团队的麻省理工学院研究生Anjali Sinha说道。

展望未来，团队希望与马萨诸塞州的海滨城镇